三相桥式spwm逆变电路的设计及仿真课程设计

院（系）：电气工程学院

摘要

根据三相桥式SPWM逆变电路的工作原理以及特点，采用Simulink中的相关模块建立仿真模型，仿真分析其典型电流、电压波形和工作过程，得到了三相桥式SPWM控制波、负载线电压、负载相电压、负载相电流、负载中性点电压、电源电流波形，解决了三相桥式SPWM逆变电路教学中的难点问题。利用该模型辅助三相桥式SPWM逆变电路教学，直观生动，交互性强，动态显示传真波形。论述了单项正弦波逆变器的工作原理，介绍了SG3524的功能及产生SPWM波的方法，对逆变器的控制及保护电路做了详细介绍，给出了输出电压波形的实验结果。

关键词：三相桥式SPWM逆变；Simulink；仿真；波形；

目录

第1章绪论 (1)

第2章课程设计的方案 (2)

2.1三相桥式SPWM逆变电路的设计内容及要求....... 错误！未定义书签。

2.2SPWM逆变器的工作原理 ....................... 错误！未定义书签。第3章 SPWM逆变器的工作原理. (4)

3.1工作原理 (4)

3.2 控制方式 (5)

3.2.1单极性正弦脉宽调制 (5)

3.2.2双极性正弦脉宽调制 (6)

3.3 正弦脉宽调制的调制算法 (7)

3.3.1 自然采样法 (7)

3.3.2规则采样法 (7)

3.3.3 双极性正弦波等面积法 (7)

第四章MATLAB仿真设计 (8)

4.1 主电路 (8)

4.2 控制电路设计 (9)

4.3仿真结果与分析 (10)

第五章课程设计总结 (15)

参考文献 (16)

第1章绪论

电力电子技术是跨越电力技术、电子技术和控制技术理论三个领域的一门新兴交叉学科，它主要研究应用了电路领域的各种电力半导体器件及其装置，以实现对电能的变换和控制。它可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。电力电子技术广泛应用于一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等。该课程已成为电气工程与自动化、自动化、电力系统自动化等电类专业的重要专业基础课。

正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装置被广泛地应用于国民经济生产生活中，其中有：针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS (Uninterruptle Power Supply)；针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS ( Emergence Power Supply)；针对船舶工业用电的岸电电源 SPS(Shore Power Supply)；还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制理论的发展与电力电子器件的不断革新，特别是以绝缘栅极双极型晶体管IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor)为代表的自关断可控型功率半导体器件出现，大大简化了正弦逆变电源的换相问题，为各种 PWM 型逆变控制技术的实现提供了新的实现方法，从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制。

IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。

在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的6个功率管都工作在较高频率，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本文针对正弦波输出变压变频电源 SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以SG3524为主控制芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。

第2章课程设计的方案

2.1三相桥式SPWM逆变电路的设计内容及要求

对于三相桥式SPWM逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下，直流电压为110V,三相阻感负载，负载中R=2.1Ω，L=1.2mH,要求频率范围：

10Hz~100 Hz。设计要求：

1.理论设计：了解掌握三相桥式SPWM逆变电路的工作原理，设计三相桥式SPWM 逆变电路的主电路和控制电路。包括：

IGBT电流，额定电压的选择

驱动保护电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

列出主电路所用元器件的明细表

2.仿真试验:利用MATLAB仿真软件对三相桥式SPWM逆变电路的主电路及控制电路进行仿真建模，元件管脚数，并进行仿真试验。

2.2 SPWM逆变器的工作原理

由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲线于横轴所包围的面积都用与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交-直-交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。

从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得。作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的方法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形作为调制波，而受它调制的信号称为载波。在SPWM 中常用等腰三角形作为载波。因为等腰三角形波是上下对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果。

图1 可控整流器调压、六拍逆变器变频

图2 不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频

图3 不控整流、PWM逆变器调压调频

波形只有±Ud/2两种电平。当rU C u U ＞时，给V1导通信号，给V4关断信号，

'/2UN d u U =。UV u 波形可由''UN VN u u -得出，当1和6通时，UV u =d U ，当3和4

通时，UV u =－d U ，当1和3或4和6通时，UV u =0。输出线电压PWM 波由±d U 和0三种电平构成负载相电压PWM 波由(±2/3) d U 、(±1/3) d U 和0共5种电平组成。

防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

3.2控制方式

脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分:参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制;相反，三角载波信号和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。

3.2.1 单极性正弦脉宽调制

单极性正弦脉宽调制用幅值为r U 的参考信号波r U 与幅值为o f ,频率为o f 的三角波c U 比较，产生功率开关信号。

参考波频率o f 决定了输出频率o f ，每半周期的脉冲数P 决定于载波频率c f 。即:

P =错误！未找到引用源。

用参考电压信号的幅值Ur ，与三角形载波信号的幅值Uc 的比值，即调制度m = Ur/Uc ，来控制输出电压变化。当调制度由0~1变化时，脉宽由0～π/p 变化，输出电压由0～E 变化。如果每个脉冲宽度为θ，则输出电压的傅里叶级数展开式为:

系数An 和Bn 由每个脉宽为θ，起始角为α的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角π+α来决定。

如果第j 个脉冲的起始角为j α则有

由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数

3.2.2 双极性正弦脉宽调制

双极性正弦脉宽调制原理输出电压o u （t ）波形在0～2π区间关于中心对称、在0～π区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为

式中输出电压o u （t ）可看成是幅值为E ，频率为o f 的方波与幅值为2E 、频率为c f 的负脉冲序列(起点和终点分别为

123212,,,...,,p p

ααααα-的叠加。因此

则输出电压为

输出电压基波分量错误！未找到引用源。为

需要注意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关元件始终轮流交替通断，因此容易引起电源短路，造成环流。为防止环流，就必须增设延时触发环节，设置死区。

3.3 正弦脉宽调制的调制算法

三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。要准确的生成SPWM 波形，就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。

3.3.1 自然采样法

按照SPWM 控制的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM 波形，成为自然采样法。

3.3.2 规则采样法

为使采样法的效果既接近自然采样法，没有过多的复杂运算，又提出了规则采样法。其出发点是设法使SPWM 波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。

3.3.3 双极性正弦波等面积法

正弦波等面积算法的基本原理为:将一个正弦波等分成H ，个区段，区段数t

H 一定是6的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差120?，要从一相正弦波方便地得到其他两相，必须把一个周期分成6的整数倍。由图(10)可见，t H 越大，输出波形越接近正弦波。在每一个区段，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这N 个等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。采用这种方法既可以提高开关频率，改善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机计算时间。

输出频率f 与区段数1H 、每个区段脉冲数N 及脉冲周期()T s μ之间的关系为

6

11

10f H NT -=